穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)對(duì)消防直流水槍水力學(xué)性能的影響

張 靜， 陳生國(guó),2， 張 平， 張 麗， 龔 斌

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.遼寧省鞍山市消防救援支隊(duì)， 遼寧 鞍山 114000)

直流水槍具有射程遠(yuǎn)和流量大的特征，在戶外消防作業(yè)中優(yōu)勢(shì)明顯，其制造和加工相對(duì)簡(jiǎn)單，是滅火一線常用消防器材.在使用過(guò)程中，與水槍連接的水帶和管路扭曲，流體通道產(chǎn)生劇烈扭轉(zhuǎn)，進(jìn)入水槍的流體具有很高的湍流動(dòng)能和大量的二次流渦旋.由于流體在水槍中的行程較短，無(wú)法有效降低湍流和渦旋的強(qiáng)度，當(dāng)流體從水槍出口噴出時(shí)會(huì)縮短射程，增加噴射角.將湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為軸向動(dòng)能，提高能量轉(zhuǎn)化效率，是消防直流水槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn).

為了在水槍較短的流道長(zhǎng)度內(nèi)提高流動(dòng)穩(wěn)定性和水流的軸向動(dòng)能，安裝穩(wěn)流器是常用的解決方案.胡國(guó)良等采用多矩形穩(wěn)流器和彈尾形穩(wěn)流器，將湍流程度較高的水流分為多個(gè)穩(wěn)定的細(xì)水流用于滅火和除塵降霾[1-2].向清江等提出一種消防水炮消旋裝置，利用彎頭內(nèi)部的消旋片、噴管內(nèi)部的穩(wěn)流器以及噴嘴內(nèi)的微小導(dǎo)流槽顯著提高了消防水炮的射程[3].袁丹青等發(fā)明了一種新型遠(yuǎn)射程消防水炮，進(jìn)水管內(nèi)部有導(dǎo)流片，出口流動(dòng)狀態(tài)平順而且射程遠(yuǎn)[4].對(duì)消防水槍穩(wěn)流器穩(wěn)流性能的研究以帶穩(wěn)流器的水槍內(nèi)部水力學(xué)性能為主，研究方法采用數(shù)值模擬[5-7].袁曉明等采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)水槍的射程進(jìn)行實(shí)測(cè)以驗(yàn)證穩(wěn)流器的性能，提出當(dāng)星型穩(wěn)流器葉片數(shù)量為6時(shí)，直流水槍具有較好的水力學(xué)綜合性能[8].陳玉先提出由6個(gè)管結(jié)構(gòu)組合成的穩(wěn)流器，降低了加工難度，提高了水槍的力學(xué)性能[9].研究表明，穩(wěn)流器對(duì)降低湍流動(dòng)能和消除旋流起重要作用.然而，現(xiàn)有研究的穩(wěn)流器軸向長(zhǎng)度較短，一些強(qiáng)漩渦無(wú)法消除[10].Laribi等對(duì)星型穩(wěn)流器的研究表明：閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，穩(wěn)流器長(zhǎng)度對(duì)流動(dòng)影響不明顯；閥門(mén)半開(kāi)時(shí)，有效長(zhǎng)度為2倍管徑長(zhǎng)度的圓截面管道水力學(xué)性能最佳[11].湯攀等對(duì)3種穩(wěn)流器的研究表明，筋片形穩(wěn)流器對(duì)出口湍流動(dòng)能影響最大，并提出其長(zhǎng)度最好與噴管長(zhǎng)度相等[12].

三葉片星型穩(wěn)流器普遍應(yīng)用于消防直流水槍中，將來(lái)流分為3個(gè)部分，在流動(dòng)過(guò)程中消除內(nèi)部的強(qiáng)旋流流動(dòng)[13].本文對(duì)三葉片星型穩(wěn)流器進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，在整體長(zhǎng)度不變基礎(chǔ)上，沿軸向斷開(kāi)為2～6段，并沿周向錯(cuò)位布置.以壓力損失和湍流動(dòng)能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究穩(wěn)流器分段數(shù)量對(duì)直流水槍水力學(xué)性能的影響，并利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

建立如圖1所示的6種穩(wěn)流器幾何模型，為方便對(duì)模型進(jìn)行命名，將不分段的穩(wěn)流器命名為模型M1.錯(cuò)位分布式穩(wěn)流器模型，按照沿軸向分布的穩(wěn)流結(jié)構(gòu)數(shù)量命名為M2～M6.以M3為例，錯(cuò)位分布式穩(wěn)流器計(jì)算域尺寸示意圖如圖2(a)所示，與在用消防直流水槍內(nèi)腔體的實(shí)際結(jié)構(gòu)一致.穩(wěn)流器橫截面示意圖如圖2(b)所示.

圖1 穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)幾何模型

圖2 直流水槍結(jié)構(gòu)尺寸

圖2(a)中，流體入口直徑65 mm，出口直徑25 mm.穩(wěn)流器與入口截面距離200 mm，穩(wěn)流器總長(zhǎng)度L=150 mm.圖2(b)中，單段穩(wěn)流器由3個(gè)2 mm厚的矩形薄板組成，薄板間夾角120°.相鄰兩段穩(wěn)流器錯(cuò)位分布，夾角60°.為方便對(duì)模型進(jìn)行命名，取N代表穩(wěn)流器分段數(shù)量，l為單段穩(wěn)流器長(zhǎng)度，l=L/N.如M3代表均布分段數(shù)量N=3的穩(wěn)流器，單段穩(wěn)流器l=50 mm.

1.2 網(wǎng)格分布

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不僅使仿真更容易收斂，而且能夠保證流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的精確度.對(duì)直流水槍內(nèi)流體域模型進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定單網(wǎng)格體積范圍為0.058～4.5 mm3，能夠滿足計(jì)算精度要求.由于M1～M6存在結(jié)構(gòu)差異，計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量在1 271 984～1 635 735之間.圖3(a)為直流水槍內(nèi)計(jì)算域網(wǎng)格分布.圖3(b)為M3穩(wěn)流器表面網(wǎng)格分布.

圖3 網(wǎng)格分布

1.3 模型選擇及邊界條件

流體介質(zhì)為20 ℃不可壓縮水，其密度ρ=998.2 kg·m-3，黏度μ=0.001 003 kg·m-1·s-1.邊界條件采用質(zhì)量流量入口和壓力出口，壁面光滑無(wú)滑移.入口體積流量為6.5 L·s-1(質(zhì)量流量為6.488 3 kg·s-1)，入口壓力與消防車(chē)水泵壓力保持一致，定義為pin=0.8～1.8 MPa，湍流強(qiáng)度設(shè)置為Iin=30 %、40 %、50 %.計(jì)算的雷諾數(shù)為Re=126 714，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于臨界雷諾數(shù)，為此選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[14]模擬水槍內(nèi)部流體流動(dòng).壓力速度耦合采用SIMPLEC，壓力離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，動(dòng)量、湍流動(dòng)能及湍流動(dòng)能耗散率均采用二階迎風(fēng)格式離散.設(shè)置連續(xù)性方程迭代收斂極限為10-4，速度和湍流項(xiàng)收斂極限均低于10-4.

2 直流水槍射流實(shí)驗(yàn)

為研究6種穩(wěn)流器水力學(xué)性能的差異，以現(xiàn)有QZG65消防直流開(kāi)關(guān)水槍為實(shí)驗(yàn)主體，其內(nèi)部加入圖1設(shè)計(jì)的穩(wěn)流器結(jié)構(gòu).流量設(shè)置為6.5 L·s-1，壓力設(shè)置為pin=1.0 MPa.調(diào)整水槍前彎道提高水槍入口處流體的湍流強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)噴射仰角為45°，現(xiàn)場(chǎng)水槍射流實(shí)驗(yàn)如圖4 所示.設(shè)置4個(gè)拍攝機(jī)位，以消防戰(zhàn)士站位為參照，消防水槍的槍口位置為射流起點(diǎn)，站1位消防戰(zhàn)士，每隔10 m站立1位消防戰(zhàn)士，共5人.

圖4 消防直流水槍射流實(shí)驗(yàn)

實(shí)際救援工作中，在建筑火災(zāi)發(fā)展初期利用直流水槍進(jìn)行外部控制火勢(shì)，有助于在車(chē)載炮展開(kāi)之前控制初期火災(zāi)，掩護(hù)消防救援人員內(nèi)攻.因此，射流距離和射流擴(kuò)展范圍更適合作為消防直流水槍的工作性能評(píng)價(jià)參數(shù).其原因在于，射流距離遠(yuǎn)能夠保障消防員的安全，射流擴(kuò)展范圍越小水力越集中，不僅能夠有效控制火情，而且節(jié)省水資源.直流水槍最遠(yuǎn)射程用射流最遠(yuǎn)落點(diǎn)與射流起點(diǎn)之間的距離表示.射流從水槍出口噴出形成近似圓錐面，射流擴(kuò)展半角定義為圓錐面的錐頂半角.經(jīng)過(guò)視頻處理得到水槍最遠(yuǎn)射程和擴(kuò)展半角，如表1所示.由表1可知：在流量為6.5 L·s-1，壓力pin=1.0 MPa時(shí)，裝有M1穩(wěn)流器的消防直流水槍射程最遠(yuǎn).加裝M3穩(wěn)流器直流水槍的射流擴(kuò)展角度最小.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，射流在出口處會(huì)有一定偏角，穩(wěn)流器的段數(shù)越多，射流方向越穩(wěn)定.

表1 直流水槍射流特性分析

3 穩(wěn)流器性能評(píng)價(jià)

3.1 阻力系數(shù)

直流水槍計(jì)算流體域水平放置，忽略重力和進(jìn)出口位差.取水槍的入口截面和出口截面計(jì)算流動(dòng)阻力，兩截面間的伯努利方程為

(1)

式中：pin和pout分別為入口和出口平均靜壓力，Pa;ρ為流體密度，kg·m-3;g為重力加速度，設(shè)置為9.81 m·s-2;uin和uout為入口和出口平均速度，m·s-1;hf為入口和出口截面的總能量損失壓頭,m.

圖5分析了穩(wěn)流器分段數(shù)量對(duì)能量損失的影響.可以看出：隨著入口壓力的提高，總能量損失增加；隨著穩(wěn)流器分段數(shù)量的增加，總能量損失增加；入口湍流強(qiáng)度對(duì)總壓力損失影響較小.

圖5 穩(wěn)流器分段數(shù)量對(duì)能量損失的影響

3.2 湍流動(dòng)能

6種穩(wěn)流器模型進(jìn)出口湍流動(dòng)能差值如圖6所示.可以看出：隨著入口壓力的提高，進(jìn)出口湍流動(dòng)能差值增加；隨著穩(wěn)流器分段數(shù)量的增加，進(jìn)出口湍流動(dòng)能差值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；按照入口湍流強(qiáng)度不同，進(jìn)出口湍流動(dòng)能差值明顯分成3個(gè)區(qū)段.

圖6 穩(wěn)流器分段數(shù)量對(duì)湍流動(dòng)能的影響

上述分析表明在穩(wěn)流器總長(zhǎng)度一致條件下，分段數(shù)量對(duì)水槍內(nèi)部的穩(wěn)流作用存在差異.這些差異與入口壓力和湍流動(dòng)能的影響相比，穩(wěn)流器分段的穩(wěn)流作用更大.從能量損失和湍流動(dòng)能的角度來(lái)看，穩(wěn)流器分段導(dǎo)致水槍進(jìn)出口阻力增加，湍流動(dòng)能差值降低.然而，從直流水槍射流實(shí)驗(yàn)可以看出，適當(dāng)分段可使水流更集中，方向更穩(wěn)定.為了分析其原因，對(duì)入口壓力pin=1.0 MPa條件下直流水槍內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析.選擇水槍軸向z=360 mm截面分析軸向速度、徑向速度和渦量分布，對(duì)比流體流過(guò)穩(wěn)流器時(shí)的流動(dòng)狀況.

3.3 速度特性

3.3.1 軸向速度分布

軸向速度與水槍的射程直接相關(guān)，圖7分析了6種結(jié)構(gòu)穩(wěn)流器M1～M6橫截面z=360 mm的軸向速度分布.從圖7可以看出：M1穩(wěn)流器內(nèi)流體被分成3股流體，軸向速度范圍在0～7.02 m/s，速度分布相對(duì)其他穩(wěn)流器更均勻；M2～M6穩(wěn)流器內(nèi)流體被分為6個(gè)部分，隨著分段數(shù)量增加，速度最大值由7.18 m/s增加到13.59 m/s.但中心速度逐漸降低.對(duì)uz/uin>1的面積進(jìn)行計(jì)算，與橫截面面積之比列于圖8中.由圖8可以看出：隨著入口湍流動(dòng)能的增加，uz/uin>1的面積提高.其中，穩(wěn)流器分段數(shù)N=2的面積最大，比分段數(shù)N=1的面積增加了7.34 %.

pin=1.0 MPa，Iin=30 %

圖8 穩(wěn)流器分段對(duì)軸向速度的影響

3.3.2 徑向速度分布

徑向速度與水槍的射流擴(kuò)展半角直接相關(guān)，圖9分析了6種結(jié)構(gòu)穩(wěn)流器M1～M6橫截面z=360 mm 的徑向速度分布.

pin=1.0 MPa，Iin=30 %

從圖9可以看出：由于水槍沿軸向截面面積是收縮的，M1～M5穩(wěn)流器內(nèi)流體徑向速度均由壁面指向軸心.M6穩(wěn)流器內(nèi)近壁面局部流體的徑向速度由中心指向壁面，這是導(dǎo)致射流擴(kuò)展角增大的主要原因.對(duì)ur/uin<-0.01的面積進(jìn)行計(jì)算，與橫截面面積之比列于圖10.由圖10可知：ur/uin<-0.01的面積不受水槍入口湍流動(dòng)能影響；M1～M5穩(wěn)流器隨著分段數(shù)量的增加，ur/uin<-0.01的面積增大，但M6的面積縮小.其中，M5穩(wěn)流器面積相對(duì)M1穩(wěn)流器提高了7.27 %，對(duì)降低水槍射流擴(kuò)散有一定作用.

圖10 穩(wěn)流器分段對(duì)徑向速度的影響

3.4 軸向渦量分布

軸向渦量被用作表征二次流渦旋強(qiáng)度，穩(wěn)流器的其中一個(gè)作用正是消除較強(qiáng)的軸向渦旋.軸向渦量公式定義為

(2)

式中：uθ、ur為周向和徑向速度；r為徑向坐標(biāo)；θ為周向角度坐標(biāo).

圖11分析了6種結(jié)構(gòu)穩(wěn)流器M1～M6橫截面z=360 mm的軸向渦量分布.

pin=1.0 MPa，Iin=30 %

從圖11可以看出：穩(wěn)流器葉片附近形成較高渦量區(qū)域.為評(píng)價(jià)二次流渦旋在橫截面上的強(qiáng)度，對(duì)|ωz|<10 s-1的面積進(jìn)行計(jì)算，與橫截面面積之比列于圖12中.由圖12可以看出：隨著入口湍流動(dòng)能的增加，|ωz|<10 s-1的面積增加.穩(wěn)流器分段數(shù)N=3的面積最大，相對(duì)N=1提高了42.9 %，有效降低了渦旋強(qiáng)度.其次為N=2的M2穩(wěn)流器，相對(duì)N=1提高了27.0 %.

圖12 穩(wěn)流器分段對(duì)軸向渦量的影響

4 結(jié) 論

在消防直流水槍內(nèi)置入穩(wěn)流器，穩(wěn)流器沿軸向分為1～6段，相鄰兩段錯(cuò)位布置.對(duì)入口體積流量為6.5 L·s-1的6種穩(wěn)流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的比對(duì)，研究穩(wěn)流器對(duì)水槍內(nèi)流場(chǎng)流體力學(xué)性能的影響.具體結(jié)論如下：

(1) 穩(wěn)流器分段數(shù)量增加，流動(dòng)阻力增加，進(jìn)出口湍流動(dòng)能差值減小.隨著進(jìn)口壓力的提高，流動(dòng)阻力和湍流動(dòng)能差值均增加.

(2) 穩(wěn)流器軸向分段數(shù)量越多，軸向速度最大值越高.其中，M2穩(wěn)流器軸向速度uz/uin>0.01的面積最大.

(3) 流體流過(guò)穩(wěn)流器，徑向速度均由壁面指向軸心.M5穩(wěn)流器徑向速度ur/uin>0.01的面積最大.

(4) 流體流過(guò)穩(wěn)流器，在葉片附近軸向渦量較高.穩(wěn)流器分為3段時(shí)，軸向渦量分布最均勻，渦量絕對(duì)值小于10 s-1的區(qū)域最大.